Проектирование структуры Базы Данных для проекта NICA

Общая структура проекта NICA и особенности его реализации.
Актуализация задачи.
В настоящей работе речь пойдет о разработке структуры базы данных для большого научно-исследовательского проекта. Это небольшая, но очень важная часть огромного эксперимента. Для того, чтобы актуализировать задачу и создать переход между самим глобальным проектом и ролью решаемой задачи в нем, ниже приводится достаточно объемное введение.
В России с 2013 года ведется строительство большого ускорительного комплексa NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — рoссийского коллайдера прoтонов и тяжeлых иoнов (Рис.1). [1]. Комплекс возводится на бaзе Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) им.В.И.Векслера и А.М.Балдина Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в городе Дубна Московской области. Строительство нового ускорителя планируют завершить в 2022 году.
Ускорительный комплекс создаётся с целью исследования области физики частиц в ранее недоступной области параметров и условий эксперимента — получение интенсивных пучков тяжёлых ионов и поляризованных ядер с целью поиска смешанной фазы ядерной материи и исследования поляризационных эффектов [2] в области энергий до 11 ГэВ/н.
Для физики данная область считается одной из наиболее перспективных. Максимальная энергия ускорителей в принципе ограничивается размерами и стоимостью магнитной системы.
Сoвременные ускoрители являются oгромными дорoгостоящими кoмплексами, требующими больших интеллектуальных, физических и материальных вложений.
3
Комплекс NICA обеспечит широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных, до пучков, состоящих из таких тяжёлых ионов, как ядра золота. Тяжёлые ядра будут ускоряться до энергии вплоть до 4,5 ГэВ/нуклон, протоны — до 12,6 ГэВ.
Планируется осуществлять прикладные и фундаментальные исследования в таких областях науки и технологии, как:
• радиобиология и космическая медицина;
• терапия раковых заболеваний;
• развитие реакторов, управляемых пучком ускорителя
(«производство энергии» с подкритичной сборкой), и технологий
трансмутации отходов ядерной энергетики;
• тестирование радиационной стойкости электронных устройств.
Наиболее важными фундаментальными направлениями исследований, которые будут проводиться с использованием коллайдера NICA являются:
• Природа и свойства сильных взаимодействий между элементарными составляющими Стандартной модели физики частиц — кварками и глюонами;
• Поиск признаков фазового перехода между адронной материей и КГП, поиск новых состояний барионной материи;
• Изучение основных свойств сильного взаимодействия и КГП- симметрии.
Основная схема процесса ускорения частиц предусматривает три стадии: 1) Формирование пучка и его инжекция;
2) Ускорение пучка;
3) Вывод пучка на мишень или соударения встречных пучков в
самом ускорителе.
4

Рис.1. Схема ускорительного комплекса NICA
Основными элементами комплекса NICA являются:
• Инжекционный комплекс поляризованных протонов и дейтронов
(источник, линейный ускоритель ЛУ-20)
• Инжекционный комплекс тяжёлых ионов (источник типа КРИОН,
линейный ускоритель HILAc)
• Бустерный синхротрон (предускорительное кольцо)
• Нуклотрон (предускорительное кольцо)
• Кольца коллайдера
• Электронное охлаждение
• Криогенный комплекс
• Фабрика магнитов (производство магнитов для комплекса NICA и
FAIR
• Чистая комната (производство трековых систем для детекторов)
Детекторы:
• Детектор MPD (Multi-Purpose Detector) предназначен для
проведения экспериментов в области релятивистской ядерной физики при столкновениях пучков ядер тяжелых элементов
5

(золота), ядер тяжелых элементов с протонами и протон-
протонных столкновениях.
• Детектор SPD (Spin Physics Detector) предназначен для
проведения экспериментов по физике спина при столкновениях
пучков ядер легких элементов[3].
• Детектор BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) Целью
эксперимента является изучение взаимодействия релятивистских пучков тяжелых ионов с фиксированными мишенями. Является первым экспериментом на ускорительном комплексе NICA- Нуклотрон.
Для успешного проведения эксперимента тщательно должны быть проработаны все этапы подготовки. В первую очередь это касается всех элементов ускорителя.
Принцип действия любого ускoрителя основывается на взаимoдействии заряженных частиц с элeктрическим и мaгнитным пoлями. Элeктрическое пoле, совершая работу, придает скорость заряженным частицам, в то время как мaгнитное пoле влияет на направление их движения (задает траекторию пучка).
Магнитная система — одна из самых важных в ускорителе[3]. Чем выше энергия частиц, тем труднее пустить их по круговой траектории, и тем сильнее, соответственно, должны быть магнитные поля. Кроме того, частицы нужно фокусировать, чтобы они не отталкивались друг от друга, пока летят. Поэтому магнитные поля должны не только направлять пучок по круговой орбите, но и фокусировать его. Задача магнитов создать «правильное» поле для достижения нужной траектории. За круговое движение отвечают дипольные магниты дугообразной формы, а за фокусирование – объединенные в дуплеты квадрупольные магнитные линзы. Внутри всех магнитов установлены
проводники электрического тока больших значений.
6

Структурными элементами бустера и коллайдера NICA, являются сверхпроводящие (СП) магниты[4]. Сверхпроводящее состояние достигается только при сверхнизких температурах (чем ниже температура магнита, тем меньше сопротивление материала, из которого состоит магнит; таким образом добиваются практически полного отсутствия сопротивления). Для этого в камере ускорителя создается высокий вакуум, и вся структура оснащается системой охлаждения жидким гелием (4.5 К или ̶ 269 C°).
Для бустера и коллайдера NICA требуется более 390 сверхпроводящих магнитов. Магнитная система бустера проекта NICA включает 48 квадрупольных сверхпроводящих магнитов. В работе будут описаны методики измерения магнитов[4, 6, 7, 8, 9].
Для успешной работы ускорителя необходимо провести массу сложнейших расчетов для всех его элементов и поставить четкий набор задач, с помощью решения которых возможно достигнуть наиболее точного соответствия в реализации[5]. Т.к. ускорительное оборудование работает с микроструктурой материального мира, то не стоит и рассуждать, насколько важно точнейшее соответствие расчетам на всех этапах подготовки и создания платформы эксперимента. Ошибка может стоить слишком дорого.
Проверка и тестирование всех деталей ускорительного комплекса проводится как на этапах изготовления, так и в процессе юстировки каждого элемента структуры.
В настоящее время для ускорительного комплекса NICA ведется серийное производство сверхпроводящих элементов магнитной оптики ускорительного комплекса (на территории ОИЯИ, г. Дубна). Производство магнитов включает также и проведение набора тестов,
вакуумных, электрических, магнитных, а также тренировки сверхпроводящих магнитов.
7

Также с целью компенсации разброса параметров магнитов, при их расстановке в кольце используются результаты моделирования движения пучков в ускорителях с использованием реальных
измеренных параметров магнитов [2]. Для достижения проектных параметров пучков, параметры магнитного поля структурных элементов магнитной оптики должны с высокой точностью соответствовать расчетным. Для решения этих задач при серийном производстве магнитов выполняется измерение параметров магнитного поля структурных элементов магнитной оптики.
Задача измерения параметров магнитных элементов преследует две главные цели:
1) Убедиться, что параметры магнитного поля изготовленного магнита соответствует заданным допускам;
2) Получить необходимое и достаточное количество параметров, позволяющих моделировать движение пучка в вакуумной камере магнита.
Параметры магнитного поля измеряемых магнитов получаются в результате применения процедур обработки данных, записываемых при проведении измерений с магнитометрических датчиков. После анализа полученных результатов делается заключение о соответствии
параметров магнита расчетным.
Информацию во время испытаний или моделирования следует собирать правильным образом. Слишком часто данные хранятся без описательной информации, в несовместимых форматах и разбрасываются по большому числу компьютеров. Это создает массив информации, который чрезвычайно затрудняет поиск определенного набора данных и принятие решений на его основе. Тесты или симуляции приходится повторять, когда наборы данных не удается найти.
8

В результате этого снижается эффективность, и увеличиваются затраты на разработку.
Важной составляющей процесса получения параметров магнитов является организация хранилища: для «сырых» данных, результатов промежуточных вычислений и для окончательных наборов.
В настоящей работе речь пойдет о структуризации способа обработки и хранения результатов магнитных измерений.